Столбченко Михаил Юрьевич
Я рад быть аспирантом кафедры обработки металлов давлением НМетАУ. Эта работа открывает новые горизонты в области знаний о тех простых вещах и процессах, которые мы можем наблюдать. Современная наука настолько разнообразна, что в ней порой стираются грани между отдельными дисциплинами и специальностями. При проведении научных исследований по обработке металлов приходится сталкиваться с вопросами материаловедения, теплотехники, энергетики, механики, информатики и даже философии. Для комплексного изучения сложных и многофакторных процессов необходимо не только проведение дорогостоящих экспериментальных исследований, но и математическое моделирование с использованием современной вычислительной техники. Новейшие мощные программные пакеты позволяют решать сложные задачи в различных областях науки и их применение стало требование нашего времени.
Я закончил в 2010 году НМетАУ по специальности «Теплоэнергетика», защитив дипломную работу на тему «ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ СПРЕЙЕРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ». Это было исследование на стыке специальностей, которое привело меня на кафедру ОМД. Сейчас я занимаюсь работой над диссертацией на тему «Оптимизация технологии валковой разливки-прокатки полос из высокопрочных алюминиевых сплавов с прогнозируемым уровнем механических свойств». Эта работа проводится в рамках сотрудничества с Институтом материаловедения г. Ганновера, ФРГ. Параллельно с этими исследованиями занимаюсь вопросами испытаний на растяжение образцов в электронном микроскопе и вопросами спреерного охлаждения при закалке. В своих исследованиях много внимания уделяю математическому моделированию в среде ANSYS.
Валковая разливка-прокатка тонких полос
Валковая разливка-прокатка является одной из самых перспективных технологий листового производства и одним из самых распространенных способов бесслиткового получения тонких полос на сегодняшний день. Идея совмещения процессов кристаллизации и деформации металла в одном очаге между вращающимися навстречу друг другу водоохлаждаемыми валками была предложена Г. Бессемером еще в середине XIX века. Однако, практическая ее реализация в промышленных масштабах началась относительно недавно: для алюминия и его сплавов в 60-х годах, для стали в 90-х годах XX века. На сегодняшний день объемы производства плоского проката на агрегатах с машинами валковой разливки-прокатки увеличиваются с каждым годом. За счет освоения производства новых инновационных сталей и сплавов расширяется их марочный сортамент. Технология получения листа толщиной от 1 до 8 мм непосредственно из расплава позволяет сократить число технологической операций и оборудования в линии до собственно машины разливки-прокатки, устройства вторичного охлаждения полосы и одной прокатной клети. Это позволяет снизить энергозатраты при производстве листа на 93%, в несколько раз уменьшить необходимые производственные площади и количество обслуживающего персонала.
При валковой разливке-прокатке процессы кристаллизации и деформации металла осуществляются в одной установке в ходе одной технологической операции. Материал в расплавленном состоянии непрерывно подается из литейной коробки через сопло в пространство, ограниченное двумя вращающимися валками-кристаллизаторами по ширине формируемой полосы и двумя боковыми ограничителями по сторонам ее кромок. За счет теплоотбора из расплава в инструмент происходит кристаллизация металла. Увеличение толщины корки закристаллизовавшегося материала продолжается вплоть до момента его сквозного затвердевания, характеризующего переход от кристаллизации металла к его горячей пластической деформации во вращающихся валках по аналогии с простым процессом прокатки. Для исследования данной технологии в Институте материаловедения г. Ганновер нами построена лабораторная машина валковой разливки-прокатки. Для определения оптимальных технологических режимов ведения процесса разливки-прокатки с учетом многих факторов может быть применено математическое моделирование с использованием метода конечных элементов. Данные, полученные в результате моделирования, позволят в дальнейшем спрогнозировать основные физико-механические свойства полосы на выходе из кристаллизатора.
В моей работе внимание уделяется сплаву системы Al-Mg-Si EN AW-6082 - одному из наиболее прочных сплавов системы Al-Mg-Si, который получил широкое распространение в строительстве и машиностроении, вследствие повышения требований к прочности конструкций при сохранении их массы.
Механические испытания в ТЭМ
Исследование микроструктуры металла на наноуровне в последние годы вызывает все больший интерес. С одной стороны, это связано с увеличившимися объемами использования в различных областях электроники, автоматики, машиностроения и приборостроения микроэлектрических и микроэлектромеханических систем, которые обладают рядом новых и еще не до конца изученных свойств. Они являются ключевыми звеньями в сложных системах, и от надежности и точности их работы зависит работа всей системы. С другой стороны, исследование образцов таких размеров при приложении к ним различных нагрузок позволяют расширить знания в области структуры металла и понять основы механизмов, лежащих в основе пластической и упругой деформации, исследовать и определить величину масштабного фактора для данного материала образца таких размеров, а также установить соотношение структура-свойства.
Для создания образца из реального сплава со своими дефектами и строением кристаллической решетки существует способ фрезерования сфокусированным ионным пучком. В основном в качестве нагрузки на образец применяют растяжение, сжатие и изгиб, но чаще всего образцы подвергают одноосному растяжению. Сложность состоит в том, что для приложения малых значений силы с шагом в несколько мкН и малых перемещений необходимо применять специальное оборудование, от точности которого напрямую зависят результаты испытаний. Испытания на растяжение позволяют получить данные о механических свойствах на основании первичных данных об удлинении образца и напряжении в нем без применения каких-либо деформационных моделей. Как известно, при растяжении образца в нем возникают напряжения и он деформируется. При этом с помощью ТЭМ мы можем наблюдать процесс деформации и зарождения трещин в металле с последующим его разрушением на наноуровне. Для полного понимания и количественного описания наблюдаемых эффектов необходимо знать, при каких значениях напряжений в металле происходит его деформация, и какова ее величина. Для получения таких данных о величине и распределении возникающих в образце при растяжении деформаций и напряжений применяется математическое моделирование процесса с применением метода конечных элементов.
Спреерное охлаждение
Также совместно с Институтом материаловедения проведены исследования по определению рабочих параметров процесса спреерного охлаждения заготовок из сплава EN AW-6082.
Такая система имеет следующие преимущества: широкий диапазон скоростей охлаждения, стабильное и равномерное охлаждение, которое позволяет не только избежать коробления, но и при направленном охлаждении управлять искажениями полосы или создавать полосы с переменными механическими свойствами. При этом для каждого конкретного параметра спрея необходимо рассчитывать скорость охлаждения и конечную температуру изделия. Для этих расчетов применяется математическое моделирование, которое требует значений коэффициентов теплоотдачи от металла к охлаждающей среде.
Основными факторами, оказывающими влияние на величину коэффициента теплоотдачи, являются температура материала и локальные свойства спрея. Для определения коэффициента теплоотдачи была построена экспериментальная установка по охлаждению пластины из сплава EN AW-6082. Поверхность пластины разбивалась на контрольные точки, и в каждой точке по изменению температуры вычислялся коэффициент теплоотдачи. Данные обрабатывались по методу сосредоточенной теплоемкости, который заключается в сравнении теплового потока от пластины с ее начальной теплотой. Полученные значения коэффициента теплоотдачи применялись при конечно-элементном моделировании с помощью программного комплекса ANSYS, целью которого было определение конечной температуры металла и скорости его охлаждения для различных скоростей прессования и различной мощности системы спреерного охлаждения. Данные моделирования могут применяться как для оптимизации работы существующих установок, так и для проектирования новых типовых охлаждающих модулей.
Список публикаций по теме диссертационной работы
1. Применение модуля ANSYS FLOTRAN для моделирования процесса валковой разливки - прокатки полос. / Столбченко М.Ю., Гридин А.Ю. // Обработка материалов давлением: сборник научных трудов.-Краматорск, 2011.-№3 (28).-c. 41-44.
2. Влияние боковых ограничителей на формирование тонких полос при валковой разливке-прокатке / М.Ю. Столбченко, А.Ю. Гридин, М. Шапер // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2012. – № 5. – С. 27-32.
Доклады
Моделирование процесса валковой разливки-прокатки при помощи Ansys-Flotran конечно-элементного модуля
Столбченко Михаил Юрьевич Понедельник, 14 Февраль 2011
Моделирование и оптимизация геометрии образцов для исследований микроструктуры в трансмиссионно-электронном микроскопе
Столбченко Михаил Юрьевич Понедельник, 16 Январь 2012
Исследование элементов технологии получения полос из алюминиевых сплавов валковой разливкой-прокаткой
Столбченко Михаил Юрьевич Понедельник, 17 Сентябрь 2012
Оптимизация технологических режимов валковой разливки-прокатки полос из высокопрочных алюминиевых сплавов с прогнозируемым уровнем механических свойств
Столбченко Михаил Юрьевич Понедельник, 17 Июнь 2013
Численное моделирование процесса валковой разливки-прокатки тонких биметаллических алюминий-стальных полос
FEM-simulation of twin-roll casting of thin aluminium-steel clad strips